Quantum state tomography (QST), the process of reconstructing some unknown quantum state $\hat\rho$ from repeated measurements on copies of said state, is a foundationally important task in the context of quantum computation and simulation. For this reason, a detailed characterization of the error $\Delta\hat\rho = \hat\rho-\hat\rho^\prime$ in a QST reconstruction $\hat\rho^\prime$ is of clear importance to quantum theory and experiment. In this work, we develop a fully random matrix theory (RMT) treatment of state tomography in informationally-complete bases; and in doing so we reveal deep connections between QST errors $\Delta\hat\rho$ and the gaussian unitary ensemble (GUE). By exploiting this connection we prove that wide classes of functions of the spectrum of $\Delta\hat\rho$ can be evaluated by substituting samples of an appropriate GUE for realizations of $\Delta\hat\rho$. This powerful and flexible result enables simple analytic treatments of the mean value and variance of the error as quantified by the trace distance $\|\Delta\hat\rho\|_\mathrm{Tr}$ (which we validate numerically for common tomographic protocols), allows us to derive a bound on the QST sample complexity, and subsequently demonstrate that said bound doesn't change under the most widely-used rephysicalization procedure. These results collectively demonstrate the flexibility, strength, and broad applicability of our approach; and lays the foundation for broader studies of RMT treatments of QST in the future.


翻译:量子态层析(QST)是通过对未知量子态 $\hat\rho$ 的多个副本进行重复测量以重构该态的过程,在量子计算与量子模拟领域具有基础性的重要意义。因此,对 QST 重构结果 $\hat\rho^\prime$ 中的误差 $\Delta\hat\rho = \hat\rho-\hat\rho^\prime$ 进行详细刻画,对于量子理论与实验显然至关重要。在本工作中,我们针对信息完备基下的态层析发展了一套完整的随机矩阵理论(RMT)处理方法;并在此过程中揭示了 QST 误差 $\Delta\hat\rho$ 与高斯幺正系综(GUE)之间的深刻联系。通过利用这一联系,我们证明了 $\Delta\hat\rho$ 谱的广泛函数类可以通过用适当 GUE 的样本替代 $\Delta\hat\rho$ 的实现来进行计算。这一强大而灵活的结果使得能够对以迹范数 $\|\Delta\hat\rho\|_\mathrm{Tr}$ 量化的误差的均值与方差进行简洁的解析处理(我们针对常见层析协议进行了数值验证),使我们能够推导出 QST 样本复杂度的界限,并随后证明该界限在最广泛使用的再物理化程序下保持不变。这些结果共同展示了我们方法的灵活性、强度与广泛适用性,并为未来更广泛的 QST 随机矩阵理论研究奠定了基础。

0
下载
关闭预览

相关内容

随着科学技术的迅速发展,古典的线性代数知识已不能满足现代科技的需要,矩阵的理论和方法业已成为现代科技领域必不可少的工具。诸如数值分析、优化理论、微分方程、概率统计、控制论、力学、电子学、网络等学科领域都与矩阵理论有着密切的联系,甚至在经济管理、金融、保险、社会科学等领域,矩阵理论和方法也有着十分重要的应用。当今电子计算机及计算技术的迅速发展为矩阵理论的应用开辟了更广阔的前景。因此,学习和掌握矩阵的基本理论和方法,对于工科研究生来说是必不可少的。全国的工科院校已普遍把“矩阵论”作为研究生的必修课。
FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
60+阅读 · 2019年10月17日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Arxiv
14+阅读 · 2024年5月28日
Arxiv
31+阅读 · 2021年6月30日
Arxiv
13+阅读 · 2021年5月25日
Arxiv
49+阅读 · 2021年5月9日
VIP会员
相关资讯
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
相关论文
Arxiv
14+阅读 · 2024年5月28日
Arxiv
31+阅读 · 2021年6月30日
Arxiv
13+阅读 · 2021年5月25日
Arxiv
49+阅读 · 2021年5月9日
相关基金
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员